改进的管道天然气液化装置及优化研究.pdf

第4 2卷第 7期 2 0 1 3年 7月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 2 ．N O ． 7 J u l y，2 0 1 3 改进的管道天然气液化装置及优化研究 万宇飞， 刘人玮， 程 涛 中国石油大学 北京 ，城市油气输配技术北京市重点实验室 ，油气管道输送安全国家工程实验室， 北京 1 0 2 2 4 9 摘 要陕京二、三线、西一线、中亚管道、西二线相继投产以及西三线全面开工，国内输气管道操作压 力等级越来越高。沿线高压管道与城市配气管网之间存在很大压差，在调峰型 L N G站中利用压差膨胀制冷液 化天然气是一种经济利用压力能方案。对国内现存的一种管道天然气液化装置分析，发现存在不合理性并对其 改进 ，改进后流程能够适应各种压差 3 ． 0 ～ 3 ． 5 MP a 特别是克服了当压力大于临界压力时不能正常有效工作 的缺陷。同时对改进的管道天然气液化装置进行研究分析 ，得出该装置的关键参数 如分流器分流比、膨胀 机膨胀压力、低温天然气温度等 对整个液化率的影响。最后对改进的管道天然气液化装置优化分析得出各物 流参数并且液化率达到 1 9 ． 8 6 ％。 由此可见改进的管道液化天然气装置具有充分利用压能、 液化率高和适应范围 广等优点。 关键词压差 ；膨胀液化；天然气；调峰型；L N G；改进 ；优化 中图分类号T E 8 3 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 30 7 0 9 9 2 0 4 I mpr o v e d Pi pe Na t ur a l Ga s Li qu e fie d Pr o c e s s a nd Opt i mi z a t i o n S t ud y W A NY u -f e i ， L I UR e n w e i ， C HE NG T a o B e i j i n g K e y L a b o r a t o r y o f U r b a n Oi l and Ga s Di s t r i b u t i o n T e c h n o l o g y ，Na t i o n a l E n g i n e e r i n g L a b o r a t o ry f o r P i p e l i n e S a f e t y ，C h i n a Un i v e r s i t y o f P e t r o l e u m B e ij i n g ， B e ij i n g 1 0 2 2 4 9 ，C h i n a A b s t r a c t Wi t h t h e c o n s t r u c t i o n a n d p r o d u c t i o n o f S h a a n x i B e i j i n g g a s p i p e l i n e I I and I I I ， C h i n a - As i an g a s p i p e l i n e ， We s t - E a s t g a s p i p e l i n e， t h e s e c o n d S h a a n x i B e i j i n g a n d t h e thi r d We s t - E a s t g a s p i p e l i n e， t h e r e i s l a r g e d i ff e r e n t i a l p r e s s u r e b e t we e n h i g h p r e s s ure t r u n k l i n e a n d urb a n d i s t r i b u t i o n p i p e l i n e ． I t i S a n e c o n o mi c an d S U ffic i e n t Wa y t o u t i l i z e d i ffe r e n t i a l p r e s s ur e t o l i q u e f y n a t u r a l g a s b y e x p a n s i o n r e f r i g e r a t i o n ． I n t h i s p a p e r ,d o me s t i c e x i s t i n g p i p e n a t u r a l g a s l i q u e f a c t i o n p l a n t wa s a n a l y z e d，i t s f o u n d t h a t t h e r e we r e s o me d e f e c t s i n t h e l i q u e f a c t i o n p l a n t ． t h e n the l i q u e f a c t i o n p l a n t wa s i mp r o v e d ． Th e i mp r o v e d p r o c e s s c a n a d a p t t o a l l k i n d s o fd i ffe r e n t i a l p r e s s u r e 3 ． 0 ～ 3 ． 5 MP a ． e s p e c i a l l y wh e n the d i ff e r e n t i a l p r e s s ure i s b e y o n d t h e c rit i c a l p r e s s ure ． At t h e s a me t i me ， t h e i mp r o v e d p i p e n a t u r a l g a s p r o c e s s wa s ana l y z e d ． T h e i n flu e n c e o f s o me e s s e n t i a l p a r a me t e r s s u c h a s s p l i t r a t i o ， c r y o g e n i c g a s t e mp e r a t u r e a n d p r e s s u r e o n l i q u e fyi n g r a t e wa s i n v e s t i g a t e d ． F i n a l l y , t h e i m p r o v e d p r o c e s s wa s o p t i mi z e d ， a n d t h e l i q u e fyi n g r a t e r e a c h e d 1 9 ． 8 6 ％ ． Th e r e s u l t s s h o w tha t t h e i mp r o v e d p i p e l i n e l i q u e fi e d n a t u r a l g a s p r o c e s s c a n ma k e f u l l u s e o f d i ff e r e n t i a l p r e s s ure ， a n d h a s a h i g h l i q u e f y i n g r a t e a n d s t r o n g a d a p t a b i l i ty t o p r e s s u r e ． Ke y wo r d s Di ffe r e n t i a l p r e e s u r e ； E x p a n s i o n r e f r i g e r a t i o n ； Na t u r a l g a s ； P e ak s h a v i n g ； L NG； I mp r o v e me n t ； Op t i mi z a t i o n 国内天然气管道建设正处于一个高峰期，管道 建设正向大管径、长距离、高压力方向发展。当前 建设的长距离管道设计压力基本为 1 0 M P a 及以上。 高压输气管道沿线分输站将高压天然气降压分输至 城市配气管网门站 ，由于配气管网压力较低 ，常规 的节流阀节流降压造成大量的能量浪费，甚至为解 决冻胀问题而额外增加燃料费用。一些城市正在陆 续考虑利用压差膨胀液化天然气建立调峰型 L N G 站，部分城市已经完成利用压差膨胀制冷建立调峰 型 L N G站，如苏州液化天然气调峰站” ] 、南京膨胀 调峰型液化站口 等。在用气低谷时将多余的气体液 化储存或通过罐车运至汽车加气站供汽车加气，用 气高峰时汽化供用户使用。国外此类装置较多但均 为专利保护， 如美国专利U S 6 2 0 9 3 5 0 B 1 、 U S 6 0 2 3 9 4 2 、 U S 6 3 7 8 3 3 0 B 1 、U S 6 4 4 9 9 8 2 B 1 等 ，国内自主设计膨 胀液化装置较少 。其 中，中科院低温 中心北京 阳科 公司自主设计制造了两座天然气液化装置 ，一 台为 3 0 0 L ／ h 液化能力，采用了天然气自身压力膨胀制 冷液化循环 ，另一台为 5 0 0 L ／ h 液化能力，采用 了氮气膨胀制冷液化循环 。熊永强 ， 华贲等人提 出了一种 “ 管道天然气液化流程”口 ，但该流程不 能适应于压力高于临界压力的情形且膨胀机输出功 不能得到充分利用， 造成能量浪费。 针对管道天然气液化流程存在的不足进行分析 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 1 2 1 作者简介 万字飞 1 9 8 8 一 ，中国石油大学 北京 在读研究生，2 0 1 1年毕业辽宁石油化工大学，主要负责现场油品安全输送及设备设施的维 护管理工作。E - m a i l w a n y u f e i 7 7 1 6 3 ． c o m 。 第 4 2 卷第7期 万宇飞，等改进的管道天然气液化装置及优化研究 改进，并对改进后装置各关键参数进行研究，研究 结果为流程的优化提供理论依据 ，最后得出优化模 拟结果 。 1 天然气临界特性 利用 A S P E N H Y S Y S 软件对西气东输气体相特 性进行模拟 ，天然气组分见表 1 ，模拟结果表 明该 天然气临界压力为 5 ． 2 1 4 M P a ，临界温度为一 7 6 ． 3 6 ℃，如下图 1 所示。当压力高于临界压力时降低温 度虽然可以实现液化但液化量非常少 。 利用 A S P E N H Y S Y S 软件对压力为 5 ．5 0 M P a时降低温度进行液 化模拟表明最大液化率不超过 0 ． 2 ％， 模拟结果如下 表 2所示。 图 1 西气东输天然气相包络线 Fi g ． 1 W e s t - e a s t p i p e l i n e g a s p h a s e e n v e l o p e 表 1 天然气 组成 Ta b l e 1 Na t r u a l g a s c o m p o s i t i o n 2 管道天然气液化流程及缺陷 2 ． 1 管道天然气液化流程 熊永强，华贲等提出适合于城市接收门站或调 压站使用的天然气液化流程，如图 2 所示。 图2 管道天然气液化流程 F i g ． 2 Pi p e n a t u r a l g a s H qu e f a c t i o n p r o c e s s 从高压管道出来的常温高压天然气首先进行预 处理深度脱除二氧化碳、水、重烃、汞等杂质，然 后在换热器 1 E x c h a n g 1 中预冷降温少许气体液 化，进入分离器 1 S e p 1 分别获得高压气相和高 压液相。其中液相经过节流阀 2 T h V a l v e 2 节流 降压至稍高于 L N G储存压力， 节流降压过程中部分 液体汽化形成气液混合物进人分离器 2 S e p 2 ； 另 外从分离器 1 S e p 1 出来的高压气相在分流器 T E E作用下按一定 比例分流成两股 ，一股 7 0 ％～ 8 0 ％ 直接进入膨胀机膨胀制冷液化形成气 液两相进入分离器 2 S e p 2 ，另一股 2 0 ％～ 3 0 ％ 在与分离器 2 S e p 2 分出的深冷天然气换热降温 液化后进人节流阀 l T h V a l v e 1 ，在节流阀 1中 节流降压形气液混合物进入分离器 2 S e p 2 o 气液 两相混合物在分离器中分离， 液体部分为 L N G进入 储罐储存，气相从分离器上部出来与低温和常温天 然气换热使温度升高，最后进入城市配气管网或者 中压天然气管道。 2 ． 2 管道天然气液化流程缺 陷 1 当高压天然气压力大于临界压力时，降低 温度虽然可以实现天然气液化形成气液两相混合物 进入分离器 1 S e p 1 中分离，但是此时液化率极 低 一般不超过 0 ． 2 ％ ，进入分离器 1的液相非常 少，使分离器 1 和节流阀 2 不能正常而有效工作， 导致总体液化率不高 。 f 2 膨胀机膨胀输 出功没有得到充分利用 ，可 以使用膨胀机同轴压缩机给余气加压后进人中压天 然气管道或城市配气管网。 3 改进的管道天然气液化流程及优势 3 ． 1 改进的管道天然气液化流程 改进的管道天然气液化流程如下图 3 所示。从高 9 9 4 当 代 化 工 压干线分输的常温高压天然气首先经过预处理 常 用分子筛法或化学溶剂法和分子筛法组合法 深 度脱除二氧化碳、水、重烃等杂质，然后进入分流 器 1 T E E 一 1 按一定 比例分流成两股高压天然气 ， 一 股高压天然气 3 0 ％～ 4 0 ％ i 人直接膨胀机 1 E x p 1 膨胀降压制冷为另一股天然气提供冷量； 另外一 股高压天然气 6 0 ％～ 7 0 ％依次进入换热器 l E x c h a n 一 1 和换热器 2 E x c h a n 一 2冷却降温后 通过膨胀机 2 E x p 2 膨胀降压形成气液两相混合 物进入分离器 1 S e p 1 分离为气液两部分 ，液相 部分在节流阀 1 V L V 1 作用下部分汽化进入分离 器 2 S e p 2 ，气相部分 由分流器 2 T E E 一 2按一 定比例分流成两部分， 一部分 2 0 ％～ 3 0 ％ 与从分 离器 2 S e p 2 出来的深冷天然气换热冷却液化后 进人节流阀 2 V L V 2 降压形成气液两相进入分离 器 2 S e p 2 ，从分流器 2 T E E 一 2出来 的另一部 分 7 0 ％～ 8 0 ％ 直接进入膨胀机 3 E x p 3 膨胀制 冷、液化形成气液两相在分离器 2 S e p 2 中分离 为 L N G和深冷天然气，其中 L N G进入储罐储存， 深冷天然气回流给低温和常温天然气提供冷量 同时 自 身温度升高至常温左右。最后通过膨胀机同轴压 缩机压缩增压至城市配气管网或中压管道相匹配压 力，同时天然气温度升高，进入固定流化床中再生 吸附剂。 高压天 图 3 改进管道天然气液化流程 F i g ． 3 I mp r o v e d p i p e n a t u r a l g a s l i q u e f a c t i o n p r o c e s s 3 ． 2 改进管道天然气液化流程优势 1 克服 了天然气高压 大于I 临界压力 时降 低温度仅微量液化的缺陷，使分离器 1 S e p 1 和 节流阀 1 V L V 1 能够有效而正常工作。 2 一股高压天然气分流膨胀降温为另一股天 然气液化提供冷量，使后续膨胀机和节流阀降压液 化效率增大。 3 膨胀机输出功通过同轴压缩机将余气增压 至城市配气管网， 使膨胀机输出功得到充分利用， 整个装置不需外界能量输入而完全利用压差膨胀液 化天然气。 4 改进的管道天然气液化流程研究分 析 对改进的液化流程研究分析时，重点分析膨胀 机 1 膨胀压力 物流 5压力 、 分流器 1 分流比、 分 流器 2分流比、冷却 的天然气温度 物流 4温度 和与回流深冷天然气换热后低温天然气的温度 物 流 1 2温度 。研究分析方法 为 在保证整个液化 流程持续收敛条件下仅变动待分析参数值 ，其他值 保持不变 ，研究各变量与 L N G产量之间的关系。 在进行研究分析之前需要确定一些初值选择 西气东输所输气体为研究对象 如表 1 所示 ， 高压 原料气压力和温度分别为 7 ． 0 M P a ，3 0℃，进入装 置高压天然气流量为 2 2 3 0 k m o l／ h ， L N G储存压力为 0． 4MPa 。 4 ． 1 物料 5压力的影响 通过仅改变物流 5的压力 ，可以得到天然气液 化率的变化情况 。 当膨胀压力增大时 ， 液化量减少 ， 分离器 1 中液体量减少。所以分离器 l 中液体量随 着膨胀压力 的增大而减小 ；当物料 5压力低于某一 值 如图4 所示， 此处约为 2 8 0 0 k P a 膨胀机 3 和 节流阀 2 前后压力不充足以液化天然气，总体液化 率不高，当压力高于该值随着压力增大膨胀机 3 和 节流阀 2压降增大 ，总体液化率逐渐增大。 ， 二 鲁 雅 超 图 4 物料 5压力与天然气液化量关系 Fi g． 4 M a t e r i a l 5 pr e s s ur e VS l i que f a c t i o n qua nt i t y 4 ． 2 分流器 1分流 比的影响 一 方面随着物流 1 比例增大，用来液化的天然 气量增大， 液化率增大； 另一方面物流 2 流量减小， 用来膨胀液化制冷量减小，使冷却后高压天然气温 度升高液化量减小 ，两个方面共同作用下总体液化 率随着分流比增大而 物流 1 物流 2 近似线性增 大。如图 5所示 。 第 4 2 卷第7期 万宇飞， 等改进的管道天然气液化装置及优化研究 9 9 5 图5 分流器 1分流比与 L N G产量关系 F i g ． 5 S h u n t 1 s p l i t r a t i o V S LNG p r o d uc ti o n 4 ． 3 分流器 2分流 比的影响 从分离器 1 出来的高压低温天然气经分流器分 为两股 一股被回流深冷天然气进一步冷却进入节 流阀 2 ，当该股流量增大时，被冷却的深度减小， 经节流阀 2 降压后液化率减小；另一股天然气在膨 胀机作用下直接膨胀液化，当流量减小时液化量减 小。这样，总体液化率随着分流比 物流 1 1 物流 9增大而减小。如图 6所示 。 0 ． 1 0 ．9 0 ． 2 0 ． 8 0 ．3 0 ． 7 0 ． 4 0 ．6 0 ．5 0 ． 5 0 ．6 0 ．4 0 ． 7 0 ．3 分流器2 分流比 物流 1 1 物流9 图 6 分流器 2分流 比与 L NG产量关 系 Fi g ． 6 S h u n t 2 s p ri t r a ti o V S LNG p r o d u c tio n 图 7 物流 4温度与 L N G产量关系 Fi g ． 7 M a t e r i a l 4 t e mp e r a t u r e V S LNG p r o d u c tio n 4 ． 4 物流 4温度的影响 物流 4的温度为整个液化率起到非常重要的作 用，当物流 4 温度低于某一值 如图7 所示， 此处约 为一 6 4℃ 时随着温度继续降低， 经膨胀机 2 膨胀后 液体量急剧增大， 气相部分急剧减小使膨胀机 3 和节 流阀2 不能有效工作， 总体液化率降低； 当物流4 温 度高于该值时随着温度升高， 气相部分增大经膨胀机 3 和节流阀 2 后液化量增大 ，但液相部分减小使得液 化量减小 ， 气液相共同作用下总体液化率减小。当物 流4 保持在该值附近时总体液化率达到最大。 4 ． 5 物流 1 2温度的影响 当物流1 2 温度升高时经节流阀2 降压后液化量 减小， 使得总体液化率降低。如图 8 所示。 5 改进管道液化流程优化模拟 5 ． 1 约束条件 1 各组分摩尔分数之和为 1 ；2进人分离器 前天然气为气液两相混合物； 3 在压缩机人口和出 口天然气为气相； 4 板式换热器热端面最小温差为 3℃且不能出现负温差 ； 5 压缩机输入功由膨胀机 输出功提供；6 流出液化装置的余气压力略大于 0． 4MPa 图 8物流 1 2温度与 L N G产 量关系 Fi g ． 8 M a t e r i a l 1 2 t e mp e r a t u r e V S LNG p r o d u c ti o n 5 ． 2 优化结果 利用 A S P E N H Y S Y S 软件模拟 叫 改进的管道天 然气液化流程中对各物料物性的计算选用 P R方程 ，同时运用各逻辑模块单元对整个液化流程模拟 进行限制和设置 ，优化结果如下表 3所示 。 表 3 改进的管道天然气液化装置优化模拟结果 Ta b l e 3 I mp r o v e d p i p e n a t u r a l g a s l i q u e f a c tio n p r o c e s s o p tima tio n r e s u l t s 经优化后液化率达 4 4 3 ． 3 1 ／ 2 2 3 1 X 1 0 0 ％ 1 9 ． 8 6 ％。 下转第 1 0 0 2页 1 0 0 2 当 代 化 工 2 0 1 3年 7月 b y a d v a n c e d o x i d a t i o n p r o c e s s [ J ] ．E n v i r o n E a r t h S c i ，2 0 1 2 ， 6 7 2 2 1 7 2 2 2 1 ． [ 4 ]张力文，戴宁，杨潇潇， 等． 表面活性剂洗脱含油污泥 中的机油【 J 】 ． 化工环保，2 0 1 1 ， 3 1 4 1 8 9 2 9 2 ． [ 5] 汪洋， 樊秀江，薛天飞， 等． 8 8 一 表面活性剂驱油技术在王家川油田前期 应用研究[ J ] ． 石油化工应用，2 0 1 2 ， 3 1 1 7 2 7 4 ， 8 3 ． [ 6] 马少华， 付立国， 习丽． 一种新型胶质液体泡沫的制备及其在处理含油 污泥 中的应用研究[ J 】 ． 化学工程师， 2 0 1 2 ， 7 6 8 7 2 ． [ 7]张德兰， 汤东， 杨勇， 等． 含氟表面活性剂在油 田中的应用『 J ] ． 化学工 业， 2 0 1 l ， 2 9 1 1 2 9 3 2 ， 3 6 ． [ 8] J i n g G u o l i n ， C h e n T i n g t i n g ， a n d L u a n Mi n g m i n g ． S t u d y i n g o il y s lu d g e t r e a t me n t b y t h e r mo c h e mi s t r y [ J ] ． A r a b i a n J o u r n a l o f C h e mi s t r y ， 2 0 1 1 ， 1 0 1 0 1 6 - 1 0 2 0 ． [ 9] Ma h m o u d A ．A b d u l R a h e i m ， Ma n a r E 1 一 S a y e d A b d e l R a o u f , N e r mi n e E1 - S a y e d Ma y s o u r ，e t a 1 ．S o me S u g a r F a t t y Es t e r Et h o x y l a t e s a s D e m u l s i fi e r s f o r P e tr o l e 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